Диоды из молекул: МИФИ делает микроэлектронику все миниатюрнее

Российские ученые заметно продвинулись в миниатюризации микроэлектроники. Результаты нового исследования Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» помогут создавать нанодиоды и делать компьютеры более продуктивными. Подробности — ​в интервью с профессором кафедры физики конденсированных сред Константином Катиным.

— Недавно в журнале Nano Letters вы опубликовали результаты исследования вольт-амперных характеристик органического нанослоя, содержащего ионы рутения. Объясните суть этой работы.

— Мы хотим доказать, что молекула, состоящая из иона металла и органических лигандов, может работать как диод, то есть пропускать электрический ток только в одном направлении. Ион металла играет роль островка, который может временно принять электрон, переправляющийся с одного электрода на другой через плохо проводящий органический материал. Нужные свой­ства достигаются за счет того, что ион расположен не посередине молекулы, а сильно смещен к краю. Это обеспечивает неодинаковую проводимость молекулы в разных направлениях.

Существует множество подходящих металлоорганических молекул. Самое трудное — ​создать хороший контакт между молекулой и электродами. На атомарном уровне поверхность электрода несовершенна.

— Что эта работа даст микроэлектронике в практическом плане?

— Транзисторы и другие электронные компоненты экспоненциально уменьшаются уже несколько десятилетий. В наше время самые маленькие образцы измеряются нанометрами. Дальнейшая миниатюризация предполагает использование небольших и средних молекул.

Пока «молекулярная» электроника не может массово применяться в промышленности: компоненты получаются плохо воспроизводимыми из-за невозможности контролировать их структуру на атомарном уровне. Однако множество научных групп работают в этой области, изготавливая все более эффективные и разнообразные одномолекулярные электронные компоненты. Мы пытаемся создать и охарактеризовать одно из таких — ​молекулярный диод.

— И судя по статье в Nano Letters, есть успехи.

— Нам удалось описать вольт-амперную характеристику системы, в которой ток проходил через несколько молекул — ​от 3 до 10. Мы измерили рост сопротивления цепочки молекул по мере увеличения ее длины и объяснили полученные данные на основе законов квантовой механики. Рассчитанная нами на компьютере вольт-амперная характеристика совпала с измеренной. Это значит, что наши теоретические модели надежны и их можно использовать для предсказания поведения многих аналогичных молекул, сократив количество длительных и дорогостоящих экспериментов.

— Как миниатюризация микроэлектроники связана с производительностью компьютеров?

— Миниатюрные устройства обеспечивают лучшее быстродействие и огромную экономию энергии. Мощные компьютеры из молекулярных компонентов смогут анализировать гораздо больше данных.

— Какие новые возможности для науки откроют такие компьютеры?

— В молекулярном моделировании, которым я занимаюсь, можно ожидать настоящей революции. Мы наконец-то будем точно предсказывать свойства новых молекул, материалов и прогонять через компьютер массивы гипотетических соединений, чтобы отобрать настоящие жемчужины. Это в первую очередь новые эффективные лекарства и материалы, которые решат главные проблемы современности: утилизация мусора, повышение эффективности преобразования солнечной энергии, создание экологически безопасного топлива, реализация искусственного фотосинтеза и т. п.